(57)【要約】【課題】  振動センサの振動や他の外部機器によるノイズに影響されず、振動センサの故障を容易に診断できる、振動センサシステムおよび故障診断方法を提供すること。【解決手段】  表面弾性波共振子を有した振動センサと、振動センサの故障を診断する故障判定処理部を有した質問器から構成された振動センサシステムであって、質問器から振動センサにパルス状にチョッピングした搬送波信号を送信して、その反射波を受信し、故障判定処理部の包絡検波回路にて反射波の包絡波形を検出し、包絡波形の立ち上がり部分である第１の包絡波形と立ち下がり部分である第２の包絡波形に、振動センサの表面弾性波共振子の機能が正常に機能している場合に現れる正常時波形の特徴の有無を検出することで、振動センサの故障を判断する。【選択図】図５
2013064635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面弾性波共振子を有した振動センサと、前記振動センサの故障を診断する故障判定処理部を有した質問器から構成された振動センサシステムであって、前記質問器から前記振動センサにパルス状にチョッピングした搬送波信号を送信し、前記質問器は前記振動センサからの反射波を受信し、前記故障判定処理部にて、前記反射波の包絡波形を検出し、前記包絡波形の立ち上がり部分と立ち下がり部分に、前記振動センサの表面弾性波共振子が正常に機能している場合に現れる正常時波形の特徴の有無を検出し、前記正常時波形の特徴がない場合は前記振動センサが故障していると判断することを特徴とする振動センサシステム。
【請求項２】
前記正常時波形の特徴は、前記包絡波形の立ち上がり部分に周期性を有していること、および前記包絡波形の立ち下がり時間は所定の時間以上かかることを特徴とする請求項１に記載の振動センサシステム。
【請求項３】
前記振動センサは、圧電体基板と、前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極を有する前記表面弾性波共振子と、前記櫛歯電極に電気的に接続されているアンテナ部をさらに備える事を特徴とする請求項１または２に記載の振動センサシステム。
【請求項４】
前記質問器は、前記振動センサに前記搬送波信号を送信して前記振動センサからの反射波を受信するアンテナ部をさらに備える事を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動センサシステム。
【請求項５】
前記質問器は、それぞれ異なる周波数の出力信号を生成するための第１の送信部および第２の送信部と、前記第１の送信部から出力された出力信号を２つの出力に分波するための第１の分波器と、第１の分波器から出力された出力信号の一つを前記第２の送信部から出力された出力信号でパルス状にチョッピングする第１のミキサーと、チョッピングされた出力信号をアンテナ部に出力して、アンテナ部から入力された入力信号を第２のミキサーに出力するサーキュレーターと、前記第１の分波器から出力された他の出力信号と前記入力信号が入力される前記第２のミキサーと、第２のミキサーから出力された信号を前記故障判定処理部に出力する第２の分波器を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動センサシステム。
【請求項６】
表面弾性波共振子を備えた振動センサと、振動センサの故障を診断する機能を有する質問器とから構成され、前記質問器から前記振動センサにパルス状にチョッピングした搬送波信号を送信する処理と、前記振動センサから前記質問器が受信した反射波の包絡波形を検出する処理と、前記包絡波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分に、前記振動センサの表面弾性波共振子の機能が正常に機能している場合に現れる正常時波形の特徴の有無を検出し、前記正常時波形の特徴がない場合は前記振動センサが故障していると判断する処理とを備えたことを特徴とする故障診断方法。
【請求項７】
前記正常時波形の特徴は、前記包絡波形の立ち上がり部分に周期性を有していること、および前記包絡波形の立ち下がり時間は所定の時間以上かかることを特徴とする請求項６に記載の故障診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面弾性波を利用した振動センサの故障を診断するための、振動センサシステムおよび故障診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表面弾性波を利用した振動センサの故障を診断する方法として、特許文献１に開示された方法が知られている。特許文献１では、正常に振動センサが作動している状態の記録と、モニタリングしたときの振動センサの受信信号を比較することで振動センサが故障していないかを判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７５６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明は、振動センサの振動や他の外部機器によるノイズに影響されず、振動センサの故障を容易に診断できる、振動センサシステムおよび故障診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の振動センサシステムは、表面弾性波共振子を有した振動センサと、前記振動センサの故障を診断する故障判定処理部を有した質問器から構成された振動センサシステムであって、前記質問器から前記振動センサにパルス状にチョッピングした搬送波信号を送信し、前記質問器は前記振動センサからの反射波を受信し、前記故障判定処理部にて、前記反射波の包絡波形を検出し、前記包絡波形の立ち上がり部分と立ち下がり部分に、前記振動センサの表面弾性波共振子が正常に機能している場合に現れる正常時波形の特徴の有無を検出し、前記正常時波形の特徴がない場合は前記振動センサが故障していると判断することを特徴とする。
【０００６】
ここで、正常な振動センサとは表面弾性波共振子が正常に機能する状態の事であり、振動センサの故障とは表面弾性波共振子の機能が損なわれる状態の事を示す。
【０００７】
前記振動センサにパルス状にチョッピングした搬送波を送信することによって、反射波の包絡波形に、連続波の場合には得られない立ちあがり部分と立ち下がり部分を確認することができる。その立ち上がり部分および立ち下がり部分に、振動センサの表面弾性波共振子が正常に機能している場合にのみ発生する正常時波形が現れるため、正常時波形の特徴の有無を検知することによって、振動センサの故障を判断することができる。
【０００８】
反射波の包絡波形を検出するため、振動センサのノイズや他の外部機器によるノイズによる反射波の波形の違いが振動センサの故障判断に影響することはなく、また、正常時波形は振動センサの表面弾性波共振によって発生する現象であるため、さらに、これらノイズに影響されることなく振動センサの故障を容易に診断できる。
【０００９】
また、本発明による前記正常時波形の特徴は、前記包絡波形の立ち上がり部分に周期性を有していること、および前記包絡波形の立ち下がり時間は所定の時間以上かかることであってもよい。
【００１０】
振動センサから放射された反射波の包絡波形を検出すると、振動センサの表面弾性波共振の影響により、立ち上がり部分は立ち上がり直後から安定した電圧になるまで、振動センサが故障している場合には現れない周期性を有する波形が発生する。そのため、立ち上がりから所定時間の間、特定の周波数成分を有していることを検出することによって、振動センサの故障を判断することができる。また、立ち下がり部分は振動センサが故障している場合にかかる立ち下がり時間以上であることを検出することによって、振動センサの故障を判断することができる。さらに、これら正常時波形の特徴は、振動センサが外部より振動が加えられた場合にも現れるため、振動センサの振動の有無に左右されることなく、故障診断を行うことが可能である。
【００１１】
また、本発明による振動センサシステムの前記振動センサは、圧電体基板と、前記圧電体基板上に形成された櫛歯電極を有する前記表面弾性波共振子と、前記櫛歯電極に電気的に接続されているアンテナ部をさらに備えていてもよい。
【００１２】
ここで、表面弾性波共振子の機能が損なわれる状態とは、櫛歯電極に異常が生じた事を示し、振動センサの故障とは、櫛歯電極の断線や、櫛歯電極とアンテナ間の配線の断線などの異常、櫛歯電極が形成されている部分の圧電体基板の折れなどの異常の事を示す。
【００１３】
また、本発明による振動センサシステムの前記質問器は、前記振動センサに前記搬送波信号を送信して前記振動センサからの反射波を受信するアンテナ部をさらに備えていてもよい。
【００１４】
また、本発明による振動センサシステムの前記質問器は、それぞれ異なる周波数の出力信号を生成するための第１の送信部および第２の送信部と、前記第１の送信部から出力された出力信号を２つの出力に分波するための第１の分波器と、第１の分波器から出力された出力信号の一つを前記第２の送信部から出力された出力信号でパルス状にチョッピングする第１のミキサーと、チョッピングされた出力信号をアンテナ部に出力して、アンテナ部から入力された入力信号を第２のミキサーに出力するサーキュレーターと、前記第１の分波器から出力された他の出力信号と前記入力信号が入力される前記第２のミキサーと、第２のミキサーから出力された信号を前記故障判定処理部に出力する第２の分波器を備えていてもよい。
【００１５】
第１の送信部から出力された出力信号を、第２の送信部から出力された出力信号でパルス状にチョッピングし、振動センサに搬送波として送信することによって、連続波では検出できない波形の立ち上がり部分と立ち下がり部分を得る事ができるようになる。さらに、振動センサから質問器に送信された反射波の包絡波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分には、振動センサの表面弾性波共振子の機能が損なわれた場合には現れない正常時波形が発生するため、正常時波形の特徴の有無を判断することによって振動センサの故障を判断することができる。
【００１６】
また、本発明の故障診断方法は表面弾性波共振子を備えた振動センサと、振動センサの故障を診断する機能を有する質問器とから構成され、前記質問器から前記振動センサにパルス状にチョッピングした搬送波信号を送信する処理と、前記振動センサから前記質問器が受信した反射波の包絡波形を検出する処理と、前記包絡波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分に、前記振動センサの表面弾性波共振子の機能が正常に機能している場合に現れる正常時波形の特徴の有無を検出し、前記正常時波形の特徴がない場合は前記振動センサが故障していると判断する処理とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による故障診断方法の前記正常時波形の特徴は、前記包絡波形の立ち上がり部分に周期性を有していること、および前記包絡波形の立ち下がり時間は所定の時間以上かかることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、振動センサにパルス状にチョッピングした搬送波を送信することによって、連続波形では得られない反射波の立ちあがり部分および立ち下がり部分を確認することができる。また、この立ちあがり部分および立ち下がり部分には、表面弾性波共振子の機能が損なわれている場合には発生しない正常時波形が現れるため、正常時波形の特徴の有無を検出することで、振動センサの故障を判断することができる。また、正常時波形は振動センサの表面弾性波共振によって発生する現象であり、反射波の包絡波形によってこの正常時波形の特徴の有無を検出しているため、振動センサのノイズや他の外部機器によるノイズによる反射波の波形の違いが、振動センサの故障判断に影響することはない。
【００１９】
以上のことより、振動センサの振動や他の外部機器によるノイズに影響されず、振動センサの故障を容易に診断できる、振動センサシステムおよび故障診断方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態による振動センサシステムのシステム構成図である。
【図２】本発明の実施の形態による振動センサの構造を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態による質問器の簡易ブロック図である。
【図４】本発明による振動センサシステムでの反射波である。
【図５】本発明の実施の形態による質問器の故障判定処理部の信号処理フローチャートである。
【図６】本発明による振動センサシステムの振動センサが正常に機能している場合での反射波の立ち上がり部分の包絡波形である。
【図７】本発明による振動センサシステムの振動センサが故障している場合での反射波の立ち上がり部分の包絡波形である。
【図８】本発明による振動センサシステムの振動センサが正常に機能している場合での反射波の立ち下がり部分の包絡波形である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施の形態による振動センサシステムのシステム構成図である。図１に示すように、本発明の振動センサシステムは、表面弾性波共振子を有した振動センサ１と図示しない故障判定処理部を有した質問器６から構成している。質問器６はアンテナ５より、対象物に取り付けた振動センサ１に対して搬送波３を送信し、アンテナ２にて搬送波３を受信した振動センサ１は、表面弾性波共振子のインピーダンス変化に応じた反射波４をアンテナ２より放射する。質問器６は搬送波３を送信する一方で、振動センサ１からの反射波４を監視しており、受信した反射波４の包絡波形を故障判定処理部で検出する。さらに、故障判定処理部では、この包絡波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分に、振動センサ１の表面弾性波共振子の機能が正常に機能している場合に発生する正常時波形の特徴の有無を検知し、この正常時波形の特徴がない場合は、振動センサ１の表面弾性波共振子の機能が損なわれているとし、振動センサの故障として判断する。
【００２３】
図２は本発明の実施の形態による振動センサの構造を模式的に示す斜視図である。本発明に係る振動センサの一例として、ガラスの機械的振動現象を検知するための振動センサの構造図を示している。図２に示すように、振動センサ１１は板状の圧電体基板１４と、圧電体基板１４上に形成された櫛歯電極１３を有するシングルポート表面弾性波共振子と、圧電体基板１４を片持ち梁状に支持する支持基板１５と、櫛歯電極１３と電気的に接続されているアンテナ１２から構成している。
【００２４】
また、表面弾性波共振子の圧電体基板１４は、振動可能となるように圧電体基板１４の一端を支持基板１５に支持され、その支持部の根元に近いところに櫛歯電極１３が位置している為、圧電体基板１４の振動を櫛歯電極１３近傍に効率よく集中させることができる構成となっている。圧電体基板の品質係数は、公知の支持基板との固定法等により、約５０〜３，０００で調整可能である。
【００２５】
振動センサの外部より圧電体基板１４に振動が加わると、圧電体基板１４に歪が生じ、櫛歯電極１３を構成する電極間の距離と圧電体基板１４を伝搬する弾性波の速度が変化し、その結果、表面弾性波共振子のインピーダンスが変化する。ここで、支持基板１５に支持された圧電体基板１４の共振周波数は、検知対象である対象物の機械振動における特徴的な周波数帯に属するように設計されている。
【００２６】
図３は本発明の実施の形態による質問器の簡易ブロック図である。図３に示すように、公知のＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）等から構成される、第１の送信部である送信部２１より送信周波数信号が生成され、第１の分波器である分波器２２にて２つに分波される。２つに分波された一方は送信信号として第１のミキサーであるミキサー２３へ送られ、他方は局部発信信号としてアッテネータ２５を経由して、第２のミキサーであるミキサー３０へ分配される。送信信号は、ミキサー２３にて第２の送信部である送信部２４より出力される送信周波数信号によってパルス状にチョッピングされ、パワーアンプ２６およびサーキュレータ２７を経由してアンテナ２８から所望の電力量で送信される。振動センサによって受信された搬送波は、微弱な反射波としてアンテナ２８から受信され、サーキュレータ２７を経由してローノイズアンプ２９により増幅される。その後、ミキサー３０にてダウンコンバートされた後、第２の分波器である分波器３１へ送られ、２つに分波される。２つに分波された一方は、検出信号としてバンドパスフィルタ３３にて振動信号を有する出力信号が取り出され、他方は、故障判定処理部３２に出力される。故障判定処理部３２では、反射波の包絡波形を検出した後、包絡波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分に正常時波形の特徴の有無を確認し、正常時波形の特徴がない場合に振動センサの故障を判断する。
【００２７】
図４は本発明による振動センサシステムでの反射波である。振動センサが外部振動によって振動した場合は、パルス状のチョッピングされた搬送波が振動センサにかかる外部振動によって変調された周波数のパルス状波形が得られ、外部振動がかかっていない場合は、チョッピングされた搬送波がそのまま反射波として得られる。この反射波の包絡波形を検出し、正常時波形の特徴の有無を確認する立ち上がり部分４１の包絡波形を第１の包絡波形とし、立ち下がり部分４２の包絡波形を第２の包絡波形とする。
【００２８】
図５は本発明の実施の形態による質問器の故障判定処理部の信号処理フローチャートである。図５に示すように、故障判定処理部に入力された反射波は、包絡検波回路によって包絡波に変調される。その後、得られた包絡波形の立ち上がり部分である第１の包絡波形に、振動センサが故障している場合は現れない正常時波形の特徴が現れているかどうかの確認を行い、正常時波形の特徴が得られた場合は、振動センサが正常に機能していると判断する。一方、正常時波形の特徴が得られなかった場合は、立ち下がり部分である第２の包絡波形に、振動センサが故障している場合は現れない正常時波形の特徴が現れているかどうかの確認を行う。正常時波形の特徴が得られた場合は、振動センサが正常に機能していると判断し、正常時波形の特徴が得られなかった場合は、振動センサが故障していると判断する。ここで、第１の包絡波形での正常時波形の特徴とは、立ち上がり直後から安定した電圧になるまで発生する、周期性を有する波形の事である。そのため、立ち上がりから所定時間の間、特定の周波数成分を有していることを検出することによって、振動センサの故障を判断することができる。また、第２の包絡波形での正常時波形の特徴とは、立ち下がり時間が所定の時間以上かかる波形の事である。振動センサが故障している場合にかかる立ち下がり時間以上であることを検出することによって、振動センサの故障を判断することができる。
【００２９】
正常時波形の特徴が得られない場合は、図２の振動センサでは、櫛歯電極に断線や、櫛歯電極とアンテナ間の配線の断線、櫛歯電極が形成されている部分の圧電体基板が折れるなどの異常が振動センサに生じており、振動センサの表面弾性波共振子の機能が損なわれている状態と判断する。振動センサが故障していると判断した場合は、アラームを出してもよいし、警告灯を点灯させるなどの警告手段により、使用者に振動センサの故障を伝えてもよい。また、正常時波形の特徴の有無によって振動センサの故障と判断する回数は、任意に設定可能である。例えば、正常時波形の特徴が続けて複数回、存在しなかった場合に故障と判断してもよい。このようにすることで診断の冗長性を高めることができる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３１】
図２に示した振動センサの実施例について説明する。圧電体基板１４として、片持ち梁の張出し長さ２ｍｍ、幅１ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの水晶ＳＴカット基板を用いた。このときの片持ち梁の共振周波数は、６０ｋＨｚである。櫛歯電極の間隔は、表面弾性波共振子の共振周波数が２．４５ＧＨｚ帯となるように０．３５μｍとした。また、櫛歯電極は、外部振動に対して圧電体基板の歪が最大となる支持部近傍に配置した。加えて、アンテナは、表面弾性波共振子の共振周波数に合わせて、２．４５ＧＨｚ帯の半波長ダイポールアンテナとした。圧電基板の品質係数は、約１００である。尚、品質係数は、公知の支持基板との固定法等により、約５０〜３，０００まで調整可能である。
【００３２】
本実施例での振動センサでは、図３において、まず送信部２１より周波数が２．４５ＧＨｚである出力波形が生成され、分波器２２にて、一方は送信信号としてミキサー２３へ送られ、他方は局部発信信号としてミキサー３０へ分配される。送信信号は、ミキサー２３にて送信部２４より出力される周波数５００ｋＨｚ出力でパルス状にチョッピングされ、パワーアンプ２６およびサーキュレータ２７を経由してアンテナ２８から所望の電力量で送信される。振動センサによって受信された搬送波は、微弱な反射波としてアンテナ２８から受信され、サーキュレータ２７を経由してローノイズアンプ２９により増幅される。その後、ミキサー３０にてダウンコンバートされた後、分波器３１にて、一方は、検出信号としてバンドパスフィルタ３３にて振動信号を有する出力信号が取り出される。この出力信号の中心周波数は、片持ち梁の共振周波数である６０ｋＨｚとなる。また、他方は故障判定処理部３２に出力される。
【００３３】
図４に示される本実施例による振動センサシステムでの反射波は、周波数５００ｋＨｚでチョッピングされた周波数２．４５ＧＨｚのパルス状波形が得られた。
【００３４】
図６は本発明による振動センサシステムの振動センサが正常に機能している場合での反射波の立ち上がり部分の包絡波形である。故障判定処理部に入力された図４で示される反射波が包絡検波回路によって包絡波に変調され、得られた包絡波形の立ち上がり部分である第１の包絡波形である。図６からわかるように、立ち上がり直後から４０ナノ秒の間に１０ナノ秒周期の包絡波形が発生した。これは振動センサの表面弾性波共振の容量成分によるものであり、表面弾性波共振子の機能が正常に機能しているため、立ち上がり直後から安定した電圧になるまで、周期性を有する波形が発生している。
【００３５】
一方、図７は本発明による振動センサシステムの振動センサが故障している場合での反射波の立ち上がり部分の包絡波形である。振動センサの櫛歯電極の断線や、櫛歯電極とアンテナ間の配線、櫛歯電極が形成されている部分の圧電体基板が折れるなどの異常が振動センサに生じており、表面弾性波共振子の機能が損なわれている場合に得られた、包絡波形の立ち上がり部分である第１の包絡波形である。図７からわかるように、振動センサが正常に機能している場合の図６の波形に現れた正常時波形の特徴が発生していない。これは、表面弾性波共振子の機能が損なわれた為で、質問器から送信された搬送波が共振されることなく、そのまま反射波として返信されたためである。
【００３６】
また、図８は本発明による振動センサシステムの振動センサが正常に機能している場合での反射波の立ち下がり部分の包絡波形である。故障判定処理部に入力された図４で示される反射波が包絡検波回路によって包絡波に変調され、得られた包絡波形の立ち下がり部分である第２の包絡波形である。図８からわかるように、振動センサの表面弾性波共振の影響により、立ち下がり時間が８００ナノ秒かかり、振動センサが故障している場合にかかる立ち下がり時間以上の包絡波形が発生した。一方、表面弾性波共振子の機能が損なわれている場合は、質問器から送信された搬送波が共振されることなく、そのまま反射波として返信されるため、図８のような正常時波形の特徴は発生しない。
【００３７】
以上より、振動センサにパルス状にチョッピングした搬送波を送信し、質問器によりその反射波を受信して、質問器の故障判定処理部にて反射波の包絡波形を検出する。さらにその包絡波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分に、振動センサの表面弾性波共振子が正常に機能している場合に現れる正常時波形の特徴の有無を検出することによって、振動センサの振動や他の外部機器によるノイズに影響されず、振動センサの故障を容易に判断できる、振動センサシステムおよび故障診断方法が得られる。
【００３８】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の変更や修正、フローチャートの変更が可能である。例えば、立ち上がりから所定時間の間、特定の周波数成分を有していることを検出することによって振動センサの故障を判断できると例示したが、これに限らず、立ち上がりから立ち下がりまでの波形より、特定の周波数成分を有していることを検出することによって振動センサの故障を判断してもよい。すなわち、当業者であれば成し得るであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００３９】
１、１１  振動センサ
２、５、１２  アンテナ
３  搬送波
４  反射波
６  質問器
１３  櫛歯電極
１４  圧電体基板
１５  支持基板
２１、２４  送信部
２２、３１  分波器
２３、３０  ミキサー
２５  アッテネータ
２６  パワーアンプ
２７  サーキュレータ
２８  アンテナ
２９  ローノイズアンプ
３２  故障判定処理部
３３  バンドパスフィルタ
４１  立ち上がり部分
４２  立ち下がり部分
【図１】
2013064635.tif 000003
【図２】
2013064635.tif 000004
【図３】
2013064635.tif 000005
【図４】
2013064635.tif 000006
【図５】
2013064635.tif 000007
【図６】
2013064635.tif 000008
【図７】
2013064635.tif 000009
【図８】
2013064635.tif 000010